Sistema cerrado

Un sistema cerrado es aquel que no intercambia materia con su entorno, aunque sí puede intercambiar energía en forma de calor o trabajo. Es un concepto básico de la termodinámica y de la teoría de sistemas, y conviene no confundirlo con el sistema aislado, que no intercambia ni materia ni energía.

¿Qué es un sistema cerrado?

En física y química, un sistema es la parte del universo que se estudia; todo lo demás es el entorno. Según lo que cruce la frontera entre ambos, se distinguen tres casos:

Es frecuente encontrar la definición «no intercambia materia ni energía». Esa definición corresponde, en rigor, al sistema aislado. En el sistema cerrado la energía sí cruza la frontera.

Características

• Masa constante: no entra ni sale materia, de modo que la cantidad total de sustancia se mantiene.
• Intercambio de energía: puede ganar o perder calor y realizar o recibir trabajo.
• Cambios internos posibles: dentro del sistema pueden producirse reacciones químicas, cambios de fase o de temperatura sin que la masa total varíe.
• Tendencia al equilibrio: si se deja evolucionar, el sistema tiende a un estado de equilibrio, y en ausencia de aportes externos no puede mantener indefinidamente procesos que dependan del exterior.

Leyes de la termodinámica aplicadas

La primera ley de la termodinámica (conservación de la energía) para un sistema cerrado se expresa así:

donde ΔU es la variación de energía interna, Q el calor que recibe el sistema y W el trabajo que realiza sobre el entorno (convención habitual en física; en química se usa a menudo ΔU = Q + W, con W como trabajo recibido). Si el sistema es aislado, Q = 0 y W = 0, por lo que ΔU = 0: la energía total se conserva.

La segunda ley añade que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye: en procesos reales aumenta hasta alcanzar el equilibrio. En un sistema cerrado, la entropía sí puede disminuir localmente si cede calor al entorno, pero la entropía total (sistema más entorno) no disminuye.

Ejemplos

• Una botella o frasco sellado: su contenido no entra ni sale, pero se calienta o se enfría con el ambiente.
• Una olla a presión cerrada: la materia queda dentro, mientras recibe energía de la cocina.
• Un motor de combustión en un ciclo ideal: a menudo se modela como un gas encerrado en un cilindro que recibe y cede calor y realiza trabajo.
• La Tierra, de forma aproximada: recibe y emite energía (radiación solar y térmica) y apenas intercambia materia con el espacio, aunque no deja de recibir meteoritos y de perder algo de gases ligeros. Por eso se usa como ejemplo de sistema casi cerrado.
• Un circuito frigorífico: el fluido refrigerante circula en un circuito sellado intercambiando calor.

Sistemas cerrados en otras disciplinas

El adjetivo «cerrado» se usa también, por analogía, fuera de la física:

• Organizaciones: se habla de organizaciones cerradas cuando se aíslan de su entorno, con poca información externa, estructuras rígidas y normas inamovibles. Tienden al estancamiento porque no detectan los cambios a tiempo. Es una versión metafórica del concepto: ninguna organización real puede estar completamente aislada.
• Ecología y economía: el modelo de «economía circular» o de una nave espacial con recursos finitos (idea del economista Kenneth Boulding, 1966) emplea la imagen de un sistema cerrado para destacar los límites de los recursos.
• Informática: un sistema «cerrado» o propietario es aquel cuyo código y especificaciones no son públicos, lo que es un uso distinto del término.

Ventajas y limitaciones del modelo

• Ventajas: simplifica el análisis, porque permite aplicar balances de masa y energía con menos variables; es una herramienta potente en ingeniería química y térmica.
• Limitaciones: en la realidad casi ningún sistema está perfectamente cerrado; las fugas, la difusión o la radiación hacen que sea una aproximación útil, no un hecho exacto. Y no describe bien a los seres vivos ni a las organizaciones, que dependen de su entorno.

Preguntas frecuentes

Referencias

• Callen, H. B. Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. Nueva York: Wiley.
• Çengel, Y. A. y Boles, M. A. Termodinámica. México: McGraw-Hill.
• Bertalanffy, L. von. Teoría general de los sistemas. México: Fondo de Cultura Económica.